CN102039589B - 模块化的灾害救援机器人 - Google Patents

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CN102039589B CN2009101724758A CN200910172475A CN102039589B CN 102039589 B CN102039589 B CN 102039589B CN 2009101724758 A CN2009101724758 A CN 2009101724758A CN 200910172475 A CN200910172475 A CN 200910172475A CN 102039589 B CN102039589 B CN 102039589B
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Abstract

本发明公开了一种模块化的灾害救援机器人,它包括六边形的主体模块以及位于主体模块上的机械臂,主体模块与移动机构相连接;主体模块包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元,识别单元识别移动机构的移动方式,运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构运动;机械臂的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂,在操作臂上设有舵机和手部夹持机构,舵机与总控单元相连接。本发明采用“积木式”的模块化机械连接方案,运用机械自适应双轨道导轨以完成“即插即用”功能,以主体模块为平台实现一物多用,可根据环境以及任务的种类快速组装多种任务模块。

Description

模块化的灾害救援机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及一种机器人,具体地说涉及一种可以应用在灾害救援中的模块化机器人。
背景技术
[0002] 近年来我国及世界范围内地震、火灾、洪水等自然灾害频发。尤其在今年5月12 号发生的8. 0级汶川大地震中有69207遇难。抗震救灾过程中许多救援行动,因为救援现场情况复杂而搁浅。其中大多由于救援人员无法进入狭小危险的废墟中为幸存者提供有效的帮助。将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合,研制与开发用于搜寻和营救的多功能灾难救援机器人,是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域,更是新时代背景下急需解决的新难题。
[0003] 于是,国内外的许多高校和研究所在救援机器人、自主救援无人机和地面移动特种作业机器人等救援机器人技术方面开展了研究。然而现有救援、侦测设备又种类复杂,并无一个整体系统将各种设备结合在一起实现,实现模块化的多用途应用,如将各种设备取长补短,以技术方式将其整合为统一的、具备互换性的任务系统,必将大大加强灾害救援能力与力度。同时,国外一些较为成熟的救援机器人造价昂贵,单价均在数十万美元以上,不适合大量装备,及灾害发生时大规模使用,难以适应中国国情。
[0004] 为适应多种空间环境与任务需求,机器人需要具备各种地形的适应能力和各种功能组件的兼容性与互换性。现有灾害机器人的研究可分为单一机械本体,分布式控制两大方向。
[0005] 单一机械本体的多用途救援机器人机械体系固定,底盘模式单一,负载能力强。此方式发展较早,较为成熟,多为针对特殊的场合设计,由于固定的底盘模式,无法适应多种环境与不同任务功能的快速切换。
[0006] 而多机器人系统可实现机械外形的自组与重构。此种机器人多由若干个外形相同、功能各异的子机器人构成,并根据不同的环境进行组装,以适应不同需求。但是由于自身结构特点,负载能力较小。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种应用在灾害救援中,具有单一本体式且具有强负载能力又兼备多机器人的灵活互换性的机器人。
[0008] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
[0009] 本发明包括六边形的主体模块以及位于主体模块上的机械臂,主体模块与移动机构相连接;上述的主体模块包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元,其中,识别单元识别移动机构的移动方式,运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构运动;机械臂的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂,在操作臂上设有舵机和手部夹持机构,上述的舵机与总控单元相连接。
3[0010] 上述的移动机构包括轮式底盘模块以及与其相连接的四个轮模块,每个轮模块均与一个电机相连接;上述的运动控制单元包括与轮模块相连接的电机及其速度传感器,电机的输入端与电机驱动器相连接,电机驱动器的输入端连接PWM信号发生器,PWM信号发生器的输入端连接PID控制器,PID控制器的输入端连接乘法器,所述的乘法器以速度传感器采样的当前速度值和历史速度值作为输入信号。
[0011] 上述的移动机构包括履腿底盘模块以及与其相连接的四个履腿模块,四个履腿模块对称分布。
[0012] 运动控制单元将轮式底盘模块和履腿底盘模块均等效为两履带运动方式建立运动学模型。
[0013] 上述的移动机构包括全向轮底盘模块以及在全向轮底盘模块周向均勻分布设置的三个90°瑞典轮。
[0014] 运动控制单元根据全向轮底盘模块建立运动学模型,它包括建立全局参考框架和局部参考框架。
[0015] 将机械臂各关节的电位器的阻值变化经过AD转换后传给总控单元,总控单元将其转换成相应的角度值后,传给机械臂上各关节的舵机。
[0016] 上述主体模块的实体架构采用光敏树脂材料,且其柱梁截面内嵌。
[0017] 在主体模块上设有至少一个导轨,导轨与任务模块相连接;上述的导轨是指主体模块与任务模块的插接口。
[0018] 上述的任务模块为影音传送模块、生命体征探测模块、空间环境测量模块、空间位置定位模块、医疗救护模块中的任意一种或几种组合。
[0019] 采用上述技术方案的本发明,采用“积木式”的模块化机械连接方案,运用独创的机械自适应双轨道导轨以完成“即插即用”功能,以主体模块为平台实现一物多用,可根据环境以及任务的种类快速组装多种任务模块,用最快的时间实现所需要的综合救援功能, 既具有单一本体式机器人的强负载能力又兼备多机器人系统的灵活互换性。另外,它采用统一规格的航空插口进行线路整合,控制系统使用嵌入式微控制器实现分布式控制。系统有机地将现有成熟技术整合,电子和程序设计采用开放式方案,因此产品更利于后续开发及更新换代。
[0020] 本系统中主体模块的机械框架采用3D激光快速成型技术,使用SomosProtoTool 20L光敏树脂材料,将数字化三维模型经由3D激光快速成型生成为实体。制造过程快捷、环保,最大程度利用CAD与CAM的技术优势,增强机械结构性能、节约成本。经过有限元结构计算分析,发现主体框架横梁存在应力集中点,支柱耐压能力差等缺陷。为克服此缺陷,设计采用柱梁截面内嵌微结构技术,有效减轻重量,同时增强结构的力学性能。
[0021] 机器人系统采用分布式控制,采用一主机-多从机结构。其中总控单元作为主机完成上位机通信、总线仲裁、任务调度、路径规划;运动控制单元等作为子控制器完成电机 PID闭环、外部事件相应、周围环境传感等任务。且主机与子控制器间通过高速总线连接。 采用改进型UART通信协议,由主控制器进行总线仲裁,并通过广播进行设备握手并进行数据交换。由于仅使用两线制总线,设备间连接线数量显著减少,通过规定线制的航空插口, 快速热插拔配合机械连接实现模块化的设计。
[0022] 另外,本发明中自行设计出的机械臂及其操纵方式,将无线视频传输技术与多自由度示教仪相结合,提供操作者第一视角的任务视野,并可将操作者的手臂动作经由示教设备直接控制机械臂的运动。
附图说明
[0023] 图1为本发明实施例1中轮式移动机构的结构图;
[0024] 图2为本发明主体模块的框架外形图;
[0025] 图3为本发明实施例1中机器人的整体结构图;
[0026] 图4为本发明中主体模块的电气结构框图;
[0027] 图5为本发明实施例1中运动控制单元的原理框图;
[0028] 图6为本发明实施例1中PID控制框图;
[0029] 图7为本发明实施例1中建立的运动学模型;
[0030] 图8为本发明实施例1运动学模型中计算行驶阻力的原理图;
[0031] 图9为本发明中机械臂的结构简图;
[0032] 图10为本发明中机械臂与手部夹持机构的结构示意图;
[0033] 图11为本发明整体的电气工作原理图;
[0034] 图12为本发明中主体模块的主循环流程图;
[0035] 图13为本发明中主体模块的工作进程图;
[0036] 图14为本发明实施例3中机器人的整体结构图;
[0037] 图15为本发明实施例3中机器人的伸展态运动姿态图;
[0038] 图16为本发明实施例3中机器人的单翼搭接态运动姿态图;
[0039] 图17为本发明实施例3中机器人的抬身态运动姿态图;
[0040] 图18为本发明实施例4中机器人的整体结构图;
[0041] 图19为本发明实施例4中建立的全局参考框架运动学模型图;
[0042] 图20为本发明实施例4中加上局部参考框架的运动学模型图;
[0043] 图21为本发明实施例6中机器人的整体结构图;
[0044] 图22为本发明实施例7中任务模块的工作流程图。
具体实施方式
[0045] 实施例1
[0046] 如图1、图3所示,本实施例包括六边形的主体模块1以及位于主体模块1上的机械臂4,主体模块1通过航空插头与移动机构3相连接,在本实施例中,移动机构3采用轮式移动机构。其中,主体模块1为各移动机构3提供动力及总控,像心脏与大脑一样,保证整体的正常运行。并且航空插头连接后,主体模块1会自动识别移动机构3的移动底盘方式,从而应用相应的移动程序,达到“即插即用”的效果。这种模块化设计,可以根据不同的救援环境改变移动机构,选择适应该环境的移动机构,从而可以最大程度上发挥救援机器人的功效,有效的提高其利用效率。
[0047] 如图2所示,在本发明中,主体模块1采用六边形作为本体核心模块框架外形。首先,六边形空间利用率高。从蜂房中采用六边形作为基础形态可知,本体模块1采用六边形外框架可以充分增大内部空间,同时与外界插接时有效减少空间占用;其次,六边形结构稳固,力学性能好,这一点从晶体中六边形结构较为稳固就可以看出。在实际设计中,采用有 限元分析软件COSMOS Works进行结构设计分析,优化设计出最为合适的六边形外框架,使 得其強度、刚度、抗压能力优异,同时重量轻、造价合理,满足设计要求。
[0048] 如图4所示,从内部电气控制上来讲,主体模块1包括利用总线技术进行相互通信 的识别单元、运动控制単元、通信単元和总控单元,其中,识别单元识别移动机构3的移动 方式,运动控制単元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构3运动;总控单元对 整体系统实施监控;通信単元提供通信协议,负责系统内部各个功能単元之间的通信和系 统与外部指令设备的通信工作。
[0049] 在本实施例中,移动机构3采用轮式移动机构。如图1所示,移动机构3包括轮式 底盘模块5以及与其相连接的四个轮模块6,每个轮模块6均与一个电机12相连接。其中 轮式底盘模块5采用差动驱动,它们对四个电机12进行独立驱动,此种驱动方式不但可以 提供强劲的驱动能力,也拥有強大的越障和爬坡能力,特别适合室外的应用。
[0050] 在采用轮式移动机构的基础上,本实施例的运动控制単元如图5所示,该控制采 用的是闭环伺服控制,可以保证电机比较准确地运行,它包括与轮模块6相连接的电机12 及其速度传感器,电机的输入端与电机驱动器相连接,电机驱动器的输入端连接PWM信号 发生器,PWM信号发生器的输入端连接PID控制器,PID控制器的输入端连接乘法器,上述的 乘法器以速度传感器采样的当前速度值n(t)和历史速度值Iitl(t)作为输入信号。
[0051] 一侧轮子的等速控制采用的是PID控制器,即将偏差的比例P、积分I和微分D通 过线性組合构成控制量,用这ー控制量对被控对象进行控制。
[0052] 模拟系统中PID算法的表达式为:
[0053]
Figure CN102039589BD00061
[0054] 式(1)中:P(t)为调节器的输出;e(t)为调节器的偏差信号,等于测量值与给定 值之差;KP为调节器的比例系数Ji为调节器的积分时间;Td为调节器的微分时间。
[0055] 计算机控制是ー种采样控制,只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量,所以必 须先对上式进行离散化处理,积分项可用求和表达式表示,微分项可用増量表达式表示:
Figure CN102039589BD00062
[0058] 将上面ニ式代入(1)式可得到用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程 式:
[0059]
Figure CN102039589BD00063
[0060] 式じ)中U(n)为采样时刻n时的电机控制信号输出,e(n)为采样时刻n时的位 置误差值,Kp、Ki、Kd分别为PID控制器的比例、积分、微分系数,n’为微分采样时间。对应 (2)式的PID控制框图如图6所示。
[0061] 在图5中,Kp起比例调节作用:按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降。仅有比例控制的系统会存在稳态误差。
[0062] Ki起积分调节作用:控制器的输出与输入误差信号的积分(历次误差值求和)成正比关系,可以消除系统的稳态误差,提高无差度。加入积分调节会使系统稳定性下降,动态响应变慢,常与另两种调节规律结合使用。
[0063] Kd起微分调节作用:控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系,微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能产生超前的控制作用,其引入的超前量将抵消惯性环节和滞后元件产生的误差。因此,可以改善系统动态性能,减少超调和调节时间。但过强的微分调节,对系统抗干扰性能不利。微分作用同样需要与另两种调节规律结合使用。
[0064] 在此过程中,运动控制单元将轮式移动机构等效为两履带运动方式建立运动学模型。首先假定机器人履带在平整路面内接地比压平均分布,建立起如图7所示的XOY基础坐标系:
[0065] (1)平均着地压强:
[0066] 计算时假定车辆重量平均分布在着地面上,但很难做到载荷完全均勻分布,实际上,位于诱导轮、主动轮正下方的载荷较大。
W
[0067] P =—其中,W为车辆重量;b为履带宽度;L为着地长度,这里是一侧两条履带的总长度。
[0068] (2)旋转半径:
V1 + V,
[0069] 车辆等效线速度”„ = -lY^-
[0070] 车辆旋转半径、X ^zi
1 V1 ~V2
[0071] 将左右履带/车轮反向驱动可得到自旋旋转;将单边履带/车轮停止可得到枢轴旋转。
[0072] (3)行驶阻力:
[0073] 如图8所示,移动机构的行驶阻力为平均阻力与旋转阻力之和,在通常的两履带式行驶系统中,若设车辆重量为W,则左右履带的阻力
Γ Ί D W μΨΣ
[0074]
Figure CN102039589BD00071
[0075]
[0076] 式中,μ ^为滚动阻力系数;μ为行驶路面与履带的摩擦系数。
[0077] 这样,在PID控制和已建立的运动学模型下,运动控制单元将轮式移动分为直线运动和转弯两种情况,机器人两侧的轮模块6等速运动实现直线运动功能;两侧的轮模块6 反向或不等速运动实现机器人滑差转向。在具体实施时,外部指令设备发出控制指令,主体模块1中的总控单元接收该控制指令并传达给各个功能单元,各个功能单元联合动作,最后使得电机12动作,这样机器人就能够按照设定的指令运作。
[0078] 另外,在本实施例中,机械臂4的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂,在操作臂上设有舵机和手部夹持机构,其中,舵机与总控单元相连接,并根据总控单元的指令 完成各种夹持等动作。
[0079] 如图9所示,机械臂4共有五个可动部件,五个关节组成,故其自由度为F = 5X3-5X2 = 5。因此,在实施时,其机座转动关节采用TowerPro MG945舵机进行驱动,肘 部和腕部关节则采用TowerPro SG90舵机进行驱动。
Figure CN102039589BD00081
[0081] 表 1
[0082] 由上述表1的操作臂连杆参数,可求得连杆变换矩阵如下: rm。。i or_ 均,均,0,0 0,0,1,0 S03,C03,O,O
|_0083」
Figure CN102039589BD00082
[0085] 手部夹持机构13如图10所示,它采用TowerPro SG90舵机驱动,两模数、齿数相 同,带夹持手爪的齿轮相互啮合而形成,其夹持范围e为0〜180°。
[0086] 手部夹持机构13的夹持力F由下式计算可得Mn1 n2 = FXL
[0087] 上式中,M为舵机的输出力矩,为1. 3kgcm ;
[0088] n !为齿轮之间的啮合效率,为0. 9 ;
[0089] n 2为机械摩擦效率,为0. 9 ;
[0090] L为力臂长度,为5cm
Figure CN102039589BD00083
[0092]夹持重量N = 2ii F = 2X0. 3X2 = 1. 2N,
[0093] 其中ii为机械爪与物体之间的摩擦系数,约为0. 2〜0. 4。
[0094] 在本发明中,主体模块1中的通信单元提供通信协议,并负责系统内部各个功能 单元之间的通信和系统与外部指令设备的通信工作。
[0095] 在通信单元提供的通信协议中,其每次通信包含两个8位2进制信息,即首位字节 和次位字节。设备通信时,总控单元发送首位字节,通过总线进行广播,ADD3〜ADDO构成指定的设备地址,Mod2〜ModO构成指定设备的工作模式;然后总控单元再发送次位字节, 通过总线进行广播;接着,指定设备接收到广播后,对比自身设备地址,如与ADD3〜ADDO对应,读取次位字节,执行指定操作;最后,指定设备根据执行状况发送应答信息。
[0096] 其中,首位字节的定义如表2所示:
[0097]
Figure CN102039589BD00091
[0098] 表 2
[0099] 次位字节的定义如表3所示:
[0100]
Figure CN102039589BD00092
[0101]表 3
[0102] 如图11所示,在本发明的整体电气系统中,主体模块1中的主控单元采用ARM进行开发,它与各个移动机构3中的电机控制器、机械臂4中的舵机控制器、通信单元、加速度传感器以及其他传感器相通信,获取综合信息后下达控制指令。
[0103] 如图12所示,在机器人开机的状态下,外部指令设备先对主体模块1进行无线通信检测,若出现错误则发出蜂鸣报警;无错误时,主体模块1开始对各设备进行广播点名, 各设备依次应答,并将应答信息传给主体模块1,主体模块1判断机体的状态后,开始工作进程。
[0104] 如图13所示,当主体模块1开始工作进程后,首先接收外部指令设备发出的控制指令,并对当前状态进行分析决策,即主体模块1自动识别移动机构3的移动底盘方式,是轮式移动方式、或履腿式移动方式、或全向轮式移动方式中的哪一种。当确定是轮式移动方式后,继续接收外部指令设备的控制指令,然后在运动控制单元中进行运动规划并最终执行命令。
[0105] 实施例2
[0106] 本实施例与实施例1不同的是,在本实施例中,主体模块1的实体架构采用光敏树脂材料,且其柱梁截面内嵌。
[0107] 在制备过程中,主体模块1的机械加工工艺采用了先进的激光快速成形技术,使用Somos ProtoTool 20L光敏树脂材料,将数字化三维模型经由3D激光快速成型生成为实体。制造过程快捷、环保,最大程度利用CAD与CAM的技术优势,增强机械结构性能、节约成本。经过有限元结构计算分析,发现主体框架横梁存在应力集中点,支柱耐压能力差等缺陷。为克服此缺陷,设计采用柱梁截面内嵌微结构技术,有效减轻重量,同时增强结构的力学性能。
[0108] 其他技术特征与实施例1相同。[0109] 实施例3
[0110] 本实施例与实施例1不同的是,在本实施例中,移动机构3采用履腿式移动机构。 如图14所示,移动机构3包括履腿底盘模块7以及与其相连接的四个履腿模块8,四个履腿模块8对称分布,控制履腿模块8的电机位于履腿底盘模块7上,且每个履腿模块8对应一个控制电机。另外,在履腿底盘模块7上可以装载各种仪器、设备用于完成各项作业任务, 它是运载平台,在运动中一般保持水平姿态。履腿模块8是运动单元,它可以绕机器人主体旋转辅助机器人攀爬越障。
[0111] 如图14所示,履腿式移动机器人共有四个自由度,履带自身转动和腿结构绕主体转动。其中,在履带自身转动中,机器人通过小履带轮处的电机直接驱动小履带轮,将小轮旋转,其自由度转变为履带转动自由度,实现机器人前进和后退;在腿结构绕主体转动中, 机器人履带模块内的两台直流电机驱动腿结构部分沿y轴方向绕主体转动产生2个旋转自由度。
[0112] 一般来说,履腿式移动机器人在运动中有三种典型的运动姿态,即伸展态、单翼搭接态和抬身态。上述的伸展态是机器人正常行进姿态,如图15所示,且正常行进分为直线运动和转弯两种情况,机器人两侧运动单元中的履带等速运动实现直线行走功能;反向或不等速运动实现机器人滑差转向。如图16所示,单翼搭接态是机器人越障、跨沟姿态,作用是在机器人越障、跨沟过程中能展开翼板搭接到高处的障碍物或是深沟对面,给机器人通过提供支撑力帮助攀爬,或者在机器人运动中作为复位姿态出现。如图17所示,抬身态是机器人结构变形姿态,该姿态能抬升中间主体高度升起安装在主体上的监视器,从而拓宽机器人视线扩大侦查范围。
[0113] 由于上述履腿式移动机器人的运动特点,所以运动控制单元将履腿底盘模块也等效为两履带运动方式建立运动学模型,其模型的建立与实施例1中的相同。
[0114] 其他技术特征与实施例1相同。
[0115] 实施例4
[0116] 本实施例与实施例1不同的是,在本实施例中,移动机构3采用全向轮式移动机构。如图18所示,移动机构3包括全向轮底盘模块9以及在全向轮底盘模块9周向均勻分布设置的三个90°瑞典轮10。瑞典轮为本领域普通技术人员所熟知的技术。三个90°的瑞典轮径向对称地安装,滚柱垂直于各主轮。瑞典轮结构的这种特殊结构,产生了全去耦的运动,为滚柱和主轮提供了正交的运动方向,使得该机器人可以在任何时候任何方向上(X, 1,θ )移动,从而达到全向运动的目的。
[0117] 由于全向轮式移动机构的特点,运动控制单元建立运动学模型,它包括建立全局参考框架和局部参考框架。其全局参考框架如图19所示,加上局部参考框架后如图20所示。在机器人上加上特定的局部参考框架后,通过在机器人中心选择点P,然后将机器人排列成与局部参老框架一致,使狀与轮2的轴重合。
[0118] 由全局参考框架中的运动向量与局部参考框架中的运动向量之间的映射关系可得
[0119]
10
Figure CN102039589BD00111
[0120]其中
Figure CN102039589BD00112
为全局参考框架中的运动向量,由2个移动速度和1个旋转速度表
不;
[0121] R( θ )为正交旋转矩阵;Jlf为一个具有投影的矩阵,该矩阵投射到沿着它们各个轮子平面的运动上;丄为常对角3*3矩阵,它的实体是全部标准轮子的半径r少为局部参考框架中的运动向量,由3个轮子的旋转速度表示。
[0122] 所以,只要知道全局参考框架中的运动向量与局部参考框架中的运动向量中的任何一个,就可以求得另外一个,从而达到控制运动的目的。
[0123] 其他技术特征与实施例1相同。
[0124] 实施例5
[0125] 本实施例与上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4不同的是,本实施例中的机械臂4通过运行来“示教”位置和姿势。其原理是将同等大小的示教手臂各关节的电位器的阻值变化经过AD转换后传给总控单元,总控单元将其转换成相应的角度值,经通信协议传给实际机械臂4上各关节的舵机,从而达到控制的目的。这样,在实际操作时,可将机械臂 4运行至一期望位置并将这一位置记录下来,在用这种方法示教时,机器人不必要求返回原来的坐标系,此坐标系可以是局部坐标系也可以是固定坐标系。
[0126] 其他技术特征与实施例1、实施例2、实施例3、实施例4相同。
[0127] 实施例6
[0128] 本实施例与实施例3不同的是,在本实施例中,在主体模块1上设有多个导轨11, 导轨11与任务模块2相连接;导轨11是指主体模块1与任务模块2的插接口,如图21所示。
[0129] 需要说明的是,导轨11的数量可以根据实际设置的任务模块2的数量而设定,可以为一个、二个、三个或甚至更多个,这可以大大提高机器人的救援工作效率,并且装拆方便、迅速、可靠。另外,导轨11上可以设置七个定位位置,也可以设置四个定位位置。
[0130] 在本实施例中,任务模块2为影音传送模块。具体地说,它包括大小两个摄像头: 大摄像头为1. 2GHZ红外防水摄像头,安装在六边形主体模块上面的定位滑道中,可以为操作者及时提供清晰的救援现场环境视屏,帮助救援人员获得第一手救援现场信息,同时为操作人员提供良好的视角,便于操作机器人进行各种运动,并且该摄像头具有红外夜视功能,可以在黑暗的环境下获得效果良好的视屏信息;小摄像头为微型针孔摄像头,安装在手部夹持机构13地上方,可以同机械臂4 一同运动,从而扩大视角范围,同时可以在机械臂4伸到狭缝中夹取东西时,为操作者提供视屏资料,便于操作人员有效的完成夹取工作。
[0131] 其他技术特征与实施例3相同。
[0132] 实施例7
[0133] 本实施例与上述实施例不同的是,本实施例可以在上述所有实施例的基础上,在主体模块1上增设导轨11,通过导轨11与任务模块2相连,进行灾害救援机器人的功能拓展。上述的任务模块2可以为生命体征探测模块、空间环境测量模块、空间位置定位模块、 医疗救护模块中的任意一种或其几种组合。
[0134] 其中,生命体征探测模块采用现有体温及电场生命体征探测仪技术,以机械臂为核心结合上述模块实现的综合系统。
[0135] 空间环境测量模块主要包含红外、超声波、激光测距单元,依照项目进展与自身能力,由易至难选择不同的测距方式进行模块设计。可采用具有通用数据总线的工业级传感器,将大大降低项目难度。
[0136] 空间位置定位模块采用具有通用数据总线的商业级无线电定位及GPS定位模块, 实时对机器人的空间位置进行定位,并可通过路点轨迹进行存储并绘制出未知空间地图。
[0137] 另外,各个任务模块的工作流程图如图22所示:在机器人开机的状态下,当主体模块1的呼叫请求到来时,应答该呼叫请求,并制定相应的工作决策,从而开始工作进程。 在此过程中,可接收主体模块1的控制指令;若有错误也可进行蜂鸣报警。
[0138] 其他技术特征与实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6相同。

Claims (9)

1. 一种模块化的灾害救援机器人,其特征在于:它包括六边形的主体模块(1)以及位于主体模块(1)上的机械臂G),主体模块(1)通过航空插头与移动机构(3)相连接,在主体模块⑴上设有至少一个导轨(11),导轨(11)与任务模块⑵相连接;所述的导轨(11) 是指主体模块(1)与任务模块O)的插接口 ;所述的主体模块(1)包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元,其中,识别单元识别移动机构 (3)的移动方式,运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构(¾运动; 所述机械臂(4)的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂,在操作臂上设有舵机和手部夹持机构(13),所述的舵机与总控单元相连接。
2.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:所述的移动机构(3) 包括轮式底盘模块(¾以及与其相连接的四个轮模块(6),每个轮模块(6)均与一个电机相连接;所述的运动控制单元包括与轮模块(6)相连接的电机及其速度传感器,电机的输入端与电机驱动器相连接,电机驱动器的输入端连接PWM信号发生器,PWM信号发生器的输入端连接PID控制器,PID控制器的输入端连接乘法器,所述的乘法器以速度传感器采样的当前速度值和历史速度值作为输入信号。
3.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:所述的移动机构(3) 包括履腿底盘模块(7)以及与其相连接的四个履腿模块(8),四个履腿模块(¾对称分布。
4.根据权利要求2或3所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:运动控制单元将轮式底盘模块和履腿底盘模块均等效为两履带运动方式建立运动学模型。
5.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:所述的移动机构(3) 包括全向轮底盘模块⑶)以及在全向轮底盘模块⑶)周向均勻分布设置的三个90°瑞典轮 (10)。
6.根据权利要求5所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:运动控制单元根据全向轮底盘模块建立运动学模型,它包括建立全局参考框架和局部参考框架。
7.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:将机械臂(4)各关节的电位器的阻值变化经过AD转换后传给总控单元,总控单元将其转换成相应的角度值后, 传给机械臂(4)上各关节的舵机。
8.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:所述主体模块(1)的实体架构采用光敏树脂材料,且其柱梁截面内嵌。
9.根据权利要求8所述模块化的灾害救援机器人,其特征在于:所述的任务模块(2) 为影音传送模块、生命体征探测模块、空间环境测量模块、空间位置定位模块、医疗救护模块中的任意一种或几种组合。
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